全球变暖已成为日益严重的问题，是最紧迫的环境危机之一（政府间气候变化专门委员会，2023年）。根据联合国气候变化框架公约（UNFCCC）和世界气象组织（WMO）的报告，自19世纪末以来，全球平均气温上升了约1.2°C，并预计在本世纪末继续上升（联合国气候变化框架公约，2022年；世界气象组织，2023年）。温室气体尤其是二氧化碳（CO?）的过量排放被认为是全球变暖的主要驱动力。因此，开发有效的温室气体减排技术，特别是二氧化碳捕获与封存（CCS）方案，已成为全球气候变化战略的关键组成部分（Haszeldine，2009年；Boot-Handford等人，2014年；NOAA全球监测实验室，2023年）。
CCS作为一种通过将二氧化碳注入深层地质构造来防止其释放到大气中的可行技术，受到了广泛关注（Terlouw等人，2021年；Krevor等人，2023年）。主要的CCS方法包括：1）盐水层封存（Kelemen等人，2019年；Heinemann等人，2021年），即向深层盐水层注入二氧化碳；2）枯竭的油气藏（Madani等人，2021年；El Diasty等人，2022年），利用剩余的孔隙空间进行二氧化碳储存；3）煤层封存（Schluckner等人，2020年；Skurtveit等人，2021年），利用二氧化碳与甲烷（CH?）的交换进行储存。尽管这些方法在技术上取得了一定进展，但仍然面临储存容量限制、泄漏风险和高运营成本等挑战。近年来，基于海洋二氧化碳水合物的封存技术成为一种有前景的替代方案，特别是在能够实现高储存密度的深海环境中（Zhang等人，2020年；Lee等人，2021年；Ahmed等人，2022年）。挪威（Furre等人，2017年）、美国（Smyth等人，2014年）、荷兰（鹿特丹港管理局，2025年）和澳大利亚（Feitz等人，2022年）等国家已经启动了多项海上碳注入示范项目。根据国际能源署（IEA）的统计数据，到2021年底，全球海洋碳储存能力已超过2.5 × 107吨（IEA，2023年）。2023年6月1日，中国在其南海东部恩平15-1平台启动了首个海上二氧化碳封存示范项目，这是该国首个能够实现相关二氧化碳“零排放”的海上石油生产平台。该项目预计每年可封存3.0 × 105吨二氧化碳，累计目标超过1.46 × 106吨（Shen等人，2025年）。
海洋二氧化碳水合物封存技术利用深海环境的低温和高压条件，直接将二氧化碳转化为海底稳定的水合物晶体，从而实现高效且长期的固态储存（Sun等人，2023年；Chen等人，2023年；Zhang等人，2024a）。与传统陆上碳封存技术相比，该方法具有显著优势，包括更大的储存容量和更好的稳定性，因为水合物储层的密度远高于盐水层。此外，深海的热力学条件确保了长期完整性，同时将泄漏风险降至最低。此外，地质要求相对较低，因为海水本身就起到了天然密封层的作用，无需不透水层或复杂的结构陷阱。在这些条件下，水合物的形成不仅高效，而且易于监测，实时在线传感系统可以实现持续跟踪和稳定性评估。当与天然气水合物的生产相结合时，这种方法不仅提高了封存效率，还构建了一个多功能耦合系统，为未来的碳捕获与储存技术发展提供了极具前景的途径（Qanbari等人，2011年；Cao等人，2022年；Gurjar等人，2023年；Pei等人，2024年）。
为了实现大规模二氧化碳水合物的生成，学者们研究了水合物的形成和分解机制、温度-压力条件的控制以及稳定性和泄漏风险。实验研究与热力学建模相结合，确定了深海沉积物中快速水合物形成的关键参数。例如，Di Giuseppe和Gambell（2024年）使用深海模拟器确定了稳定界面处的热力学参数，并研究了气体混合物中氮气（N?）对水合物形成效率的影响，而Cao等人（2024年）通过沉积物比较表明粘土矿物显著提高了成核速率和水合物饱和度。同时，研究人员评估了水合物稳定区（HSZ）的最佳深度范围及其对长期储存安全性的影响。Pang等人（2024年）进行了大规模实验，评估了基于水合物的二氧化碳封存的可行性和形成行为，分析了放大条件下的热量和质量传递以及储存稳定性，并为工程应用提供了实验支持。
最近的研究进一步强调了水合物形成动力学和封存机制在二氧化碳封存系统中的重要性。例如，提出了循环冰冻和融化方法来提高水合物成核概率和形成效率，显著缩短了水合物形成时间并提高了水转化率（Yang等人，2024年）。此外，研究表明水合物盖层的形成和稳定性受到储存压力、流动状态以及二氧化碳注入过程中的多相流动行为的强烈影响（Chen等人，2026年）。其他实验研究还表明，水合物盖层的形成和空间演化与操作参数（如二氧化碳流速、储存压力和注入策略）密切相关，这些参数控制着海底沉积系统中的水合物分布和封存性能（Sun等人，2024年；Wu等人，2025年）。
Tinivella和Giustiniani（2025年）利用全球盐度和地热梯度数据集构建了一个静态二氧化碳HSZ模型，确定了浅层和寒冷海域作为有利的封存地点，而Nole等人（2025年）应用PFLOTRAN大规模模拟平台分析了不同注入策略在不同深度下的稳态响应。此外，对储存稳定性的研究表明，尽管二氧化碳水合物在深海条件下表现出高的热力学稳定性，但其结构完整性仍易受温度和压力的波动影响。Qureshi等人（2022年）证实了二氧化碳水合物在海水和孔隙水系统中的长期稳定性，而Zhao等人（2022年）通过页岩实验和建模表明，水合物相变可以在孔隙空间内形成低渗透性的“水合物盖层”，有效阻碍二氧化碳向上迁移，为地质储存提供了额外的物理保障。Yao等人（2025年）进行了多尺度实验，研究了二氧化碳/氮气注入过程中的缩放标准和相似性原理，为不同尺度结果之间的关联提供了理论支持，并为工程放大提供了依据。Zhao等人（2025年）研究了淤泥-粘土-砂沉积物中二氧化碳水合物形成的动力学，强调了沉积物组成对形成速率的影响，并提高了对复杂沉积系统中水合物形成的理解。这些发现为设计大规模实验模拟提供了重要指导。
尽管海洋二氧化碳水合物封存技术具有巨大潜力，但其大规模实施仍依赖于在水合物形成条件、转化效率和长期稳定性方面的突破（Lafond等人，2012年；Constable等人，2022年；Dhamu等人，2023年；Liu等人，2024年）。一个关键挑战在于准确识别水合物形成的空间分布及其对储层稳定性的影响。此外，深入理解二氧化碳在沉积物中的溶解、扩散和成核机制，以及对其迁移和演化的持续监测，对于加速水合物形成和提高封存效率至关重要。尽管已经开展了关于海洋二氧化碳水合物封存的研究，但大多数研究集中在热力学稳定性、形成条件或小规模实验上。然而，关于在接近实际海底条件下的二氧化碳注入、迁移和水合物形成过程中的多物理效应及地层响应的研究仍然有限。
为解决在水合物基海洋二氧化碳封存过程中理解水合物空间分布及耦合热-水力-力学（THM）过程的研究空白，本研究采用了一个自主开发的大规模实验模拟系统。该系统模拟了接近实际的海底条件，允许详细研究地质二氧化碳水合物封存过程以及气体、液体和固体相在水合物形成过程中的动态相互作用。该系统模拟了准静态的二氧化碳注入和封存过程，重点关注大规模沉积系统中二氧化碳水合物形成的空间分布模式及其相应的压力响应特性。系统研究了二氧化碳注入、迁移和水合物形成过程中沉积物温度、压力和水合物饱和度的动态变化。此外，还探讨了水合物形成的机制、其时空演化以及封存过程中产生的体积膨胀，以及它们对储层完整性和长期稳定性的影响。这些发现为优化海洋二氧化碳水合物封存策略提供了理论指导，并为评估工程部署的可行性和安全性提供了关键的实验支持。
